Отличие фосфорной кислоты от ортофосфорной

Содержание

Нередко металл и изделия из него подвергаются характерной «болезни», которая проявляется в виде рыжего налета, разъедающего металл. Речь идет о ржавчине. Ее образование происходит благодаря воздействию на поверхность металлического изделия углекислого газа, кислорода и воды. Безусловно, для того чтобы продлить срок службы изделия из металла необходимо как можно скорее начать борьбу с коррозией. Помочь в этом может обработка ортофосфорной кислотой.

Характеристики ортофосфорной кислоты

Услышав слово кислота, человек невольно напрягается, ведь еще из давних уроков химии в школьные годы известно, что кислота может оказывать довольно значимое влияние на предметы или, к примеру, кожу человека. А что собой представляет ортофосфорная кислота? Опасна ли ортофосфорная кислота, применение которой рекомендуется как один из способов борьбы с налетом ржавчины?

Ортофосфорная или попросту фосфорная кислота представляется в виде продукта, имеющего неорганическое происхождение. В условиях нормальной комнатной температуры ортофосфорная кислота имеет вид небольших ромбовидных кристалликов.

Чаще всего же ортофосфорная кислота имеет вид сиропообразного 85%-процентного раствора, не имеющего характерного запаха. Кристаллики ортофосфорной кислоты довольно хорошо растворяются в воде или этаноле.

Уравнение ортофосфорной кислоты

Применяется ортофосфорная кислота в следующих отраслях человеческой деятельности:

  • Создание удобрений (фосфатных),
  • Производство специальных чистящих средств, относящихся к классу бытовой химии,
  • Стоматология,
  • Вещества для борьбы с коррозией металла,
  • Звероводство,
  • Пищевая промышленность.

Если температура окружающей среды, например, в условиях лабораторных исследований превышает показатели в 213 градусов Цельсия, ортофосфорная кислота преобразуется в пирофосфорную кислоту. Состав ортофосфорной кислоты и ее химическая формула, соответственно, изменяется.

Таблица 1. Физико-химические показатели ортофосфорной кислоты согласно ГОСТ 10678-76.

Наименование показателя Норма
Марка А Марка Б
1-й сорт 2-й сорт
1. Внешний вид Бесцветная жидкость прозрачная в слое 15-20 мм при рассмотрении на белом фоне Бесцветная или со слабо-желтым оттенком жидкость в слое 15-20 мм при рассмотрении на белом фоне Бесцветная или окрашенная жидкость с оттенком от слабо-желтого до коричневого, не прозрачная в слое 15-20 мм при рассмотрении на белом фоне
2. Массовая доля ортофосфорной кислоты (H3PO4), %, не менее 73 73 73
3. Массовая доля хлоридов, %, не более 0,005 0,01 0,02
4. Массовая доля сульфатов, %, не более 0,010 0,015 0,020
5. Массовая доля нитратов, %, не более 0,0003 0,0005 0,0010
6. Массовая доля железа, %, не более 0,005 0,010 0,015
7. Массовая доля тяжелых металлов сероводородной группы, %, не более 0,0005 0,002 0,005
8. Массовая доля мышьяка, %, не более 0,0001 0,006 0,008
9. Массовая доля восстанавливающих веществ, %, не более 0,1 0,2 Не нормируется
10. Наличие метафосфорной кислоты Выдерживает испытание
11. Массовая доля взвешенных частиц, %, не более Выдерживает испытание 0,3
12. Наличие желтого фосфора Выдерживает испытание Не нормируется

Таблица 2. Физико-химические показатели ортофосфорной кислоты согласно ГОСТ 6552-80.

1. Внешний вид и цвет

2. Массовая доля ортофосфорной кислоты (H3PO4), %, не менее

3. Плотность Р4 20 , г/см 3 , не менее

4. Массовая доля остатка после прокаливания, %, не более

5. Массовая доля летучих кислот (СН3СООН), %, не более

6. Массовая доля нитратов (NO3), %, не более

7. Массовая доля сульфатов (SO4), %, не более

8. Массовая доля хлоридов, (Cl)%, не более

9. Массовая доля аммонийных солей (NН4), %, не более

10. Массовая доля железа (Fe), %, не более

11. Массовая доля мышьяка (As), %, не более

12. Массовая доля тяжелых металлов (Pb), %, не более

13. Массовая доля веществ, восстанавливающих KMnO4 (H3PO3), %, не более

Наименование показателя Норма
Химически чистый (х.ч.) ОКП 26 1213 0023 08 Чистый для анализа (ч.д.а.) ОКП 26 1213 0022 09 Чистый (ч.) ОКП 26 1213 0021 10
Прозрачная бесцветная жидкость не содержащая взвешенных частиц
87 85 85
1,71 1,69 1,69
0,05 0,1 0,2
0,0004 0,0010 0,0015
0,0003 0,0005 0,0005
0.0005 0.002 0.003
0.0001 0.0002 0.0003
0,0005 0,002 0,002
0,0005 0,001 0,002
0.00005 0.0001 0.0002
0,0005 0,0005 0,001
0.003 0.005 0.05

Сферы применения фосфорной кислоты

Современная наука довольно часто позволяет использовать одно и то же химическое вещество или один и тот же химический состав в совершенно различных целях. То же самое можно сказать и о вариантах применения ортофосфорной кислоты.

На сегодняшний день, существует немалое количество разнообразных сфер применения ортофосфорной кислоты. Так, к примеру, данную кислоту могут применять при органическом синтезе. Применяют ее в случаях, когда требуется создать фосфорные соли натрия, кальция, алюминия, марганца.

Велико значение и использование ортофосфорной кислоты в промышленности по металлобработке, поскольку тут практически незаменима ортофосфорная кислота, влияние которой доказано при удалении ржавчины или предотвращении ее появления.

Ортофосфорную кислоту можно обнаружить и в составе большого количества веществ, предназначенных для использования хозяйками в быту. Известно и об ее использовании в медицинской и пищевой промышленности.

Среди прочих сфер, где можно обнаружить применение ортофосфорной кислоты, можно назвать:

  • Нефтяную промышленность,
  • Изготовление спичек,
  • Изготовление кинопленки,
  • Производство противопожарных или огнеупорных предметов и материалов.

Велика роль ортофосфорной кислоты и в процессе подпитки растений, поскольку широко известно, благотворное влияние фосфора на способность растений давать высокие урожаи. Сельскохозяйственные культуры благодаря этой кислоте приобретают устойчивость к заморозкам и прочим неблагоприятным условиям.

Благотворное воздействие на почву также отмечается во многих источниках, относящихся к предмету земледелия или народного хозяйства.

Значение ортофосфорной кислоты важно и для животных. Она не только совместно с другими органическими веществами участвует в метаболических процессах животного организма, но еще и помогает в образовании у некоторых видов животных панцирей и других естественных наростов, поскольку в их составе имеется фосфат кальция.

Применяется ортофосфорная кислота и в виде пищевой добавки в некоторых продуктах питания. Она имеет код Е 338. Свое назначение в пищевой промышленности данная кислота находит в производстве колбас, некоторых видов плавленых сыров, газированных напитков.

Следует отметить, что не стоит злоупотреблять продуктами питания, в составе которых отмечено присутствие ортофосфорной кислоты, поскольку не выяснено какова норма потребления ее человеком в сутки. Но в любом случае польза от ее потребления несоизмеримо мала, если даже не сказать, ничтожна, в сравнении с тем вредом, который она может нанести в виде нарушения работы желудочно-кишечного тракта, возникновения кариеса, развития остеопороза.

Правила работы с ортофосфорной кислотой

Как и любая другая кислота, ортофосфорная требует от человека предельной внимательности, аккуратности и выполнения всех правил безопасности при работе с кислотами.

Ортофосфорная кислота является довольно агрессивным химическим веществом при неправильном ее использовании и пренебрежение техникой безопасности применение ортофосфорного соединения может вызвать возникновение ожогов на кожных покровах. Пары фосфорной кислоты, могут спровоцировать ожоги слизистой дыхательных путей, а также проявление признаков серьезной интоксикации организма человека. Помимо этого, ортофосфорная кислота является пожаро- и взрывоопасным соединением. Именно поэтому весьма важно соблюдать предписанные правила при работе с фосфорной кислотой.

Правила работы с ортофосфорной кислотой.

  1. Работать с кислотой нужно только в условиях хорошо проветриваемого помещения.
  2. При работе с кислотой, следует особое внимание уделить защитной экипировке в виде перчаток, маски или лучше респиратора и очков для защиты глаз.
  3. Не допускать попадания кислоты на открытые участки тела, иначе могут возникнуть сильнейшие ожоги.
  4. Если кислота, все же, попала на кожу, ее следует как можно скорее смыть большим количеством проточной воды и обязательно обратиться в больницу.

Транспортировка и хранение ортофосфорной кислоты также требует обязательного соблюдения определенных условий.

Хранить кислоту можно только в стеклянных емкостях, а также в полимерных сосудах и сосудах из нержавеющей стали.

Перевозить реагент разрешается только специальными автотранспортными средствами, которые оснащены металлическими цистернами, не подвергающимися воздействию кислоты. Транспортировка допускается также и другими видами транспорта, например, поездами или водными судами, но при условии полного соблюдения требований техники безопасности.

Условия хранения кислоты предусматривают ее помещение в такое место, куда не проникает солнечный свет. Хранить в таких условиях ортофосфорное соединение можно не более одного года.

Применение от ржавчины ортофосфорной кислоты

Ортофосфорная кислота, влияние которой на ржавчину широко известно, может применяться как в промышленных масштабах, так и для удаления коррозии металла в домашних условиях. Разумеется, что подобные действия должны проводиться с учетом описанных выше правил безопасности.

Читайте также:  Транспортир для циркулярки своими руками

Явным преимуществом именно фосфорной кислоты является то, что при условиях химической очистки с поверхности металла при помощи фосфорной кислоты можно не только убрать рыхлые окислившиеся массы, но и создать тем самым небольшую защитную пленку на поверхности металлического изделия. Образование такой пленки происходит следующим образом: оксид железа разъедается и поглощается кислотой, вместо этого происходит фосфарирование поверхности металла. Люди, проделывающие подобную процедуру очищения, свидетельствуют о том, что после снятии ржавчины посредством применения кислоты ортофосфорной на поверхности металлического изделия образуется маслянистая пленка серого оттенка.

На данном этапе можно назвать несколько основных способов борьбы с образованием окислов на металлических поверхностях:

  • Травление металла, предусматривающее полное его погружение в раствор кислоты,
  • Распыление соединения при помощи пульверизатора или нанесение ее посредством валика,
  • Механическая очистка металла от окислов с последующим применением кислоты.

Наиболее подходящий и действенный метод очистки металла от коррозии подбирается в каждом конкретном случае с учетом индивидуальных условий, в которых возможно проведение процедуры.

Ортофосфорная кислота для металла

Учитывая, что существует несколько вариантов очищения металла с применением ортофосфорного соединения, следует рассмотреть каждый из них подробнее.

Очищение с полным погружением очищаемой детали, к примеру, требует предварительного очищения детали от жиров любого происхождения. Для этого достаточно промыть металлическое изделие при помощи любого моющего средства. Далее нужно растворить в одном литре воды 150 мл кислоты. После того, как раствор будет готов нужно опустить в него деталь на один час. При этом требуется постоянно размешивать раствор, чтобы кислота лучше действовала.

После того, как кислота оказала свое действие, и ржавчина растворилась, необходимо смыть ортофосфорную кислоту при помощи специального раствора, составе которого имеется 50 частей воды, 2 части нашатырного спирта, 48 частей спирта.

Окончанием процедуры станет ополаскивание детали проточной водой и сушка.

Если металлическое изделие по причине его больших размеров нельзя погрузить в контейнер, то тут можно применить другой способ удаления ржавчины. Для этого нужно нанести ортофосфорную кислоту при помощи распылителя, валика или обычной кисти на поверхность металла. В некоторых случаях, возможно, потребуется предварительная ручная очистка ржавчины. После того, как часть ржавчины буквально отодрана с поверхности металлического изделия, на металл наносится раствор кислоты, выдерживается определенное время, после чего изделие омывается нейтрализующим кислоты раствором и производится его сушка.

В обоих случаях при необходимости можно увеличивать период воздействия кислоты на окислы металла.

Возможно применение ортофосфорной кислоты и при необходимости очистки домашних унитазов, ванн и раковин. Но следует запомнить, что не стоит применять ортофосфорную кислоту, как и другие виды кислот для очищения акриловых сантехнических элементов.

Фаянсовые и эмалированные поверхности можно очистить следующим способом. Предварительно обезжиренную любым моющим средством поверхность обрабатывают кислотным раствором. Для его приготовления нужно взять и перемещать 1 литр воды с 200 гр фосфорной кислоты. В зависимости от степени загрязнения кислоту нужно оставить на поверхности на 1-12 часов. По истечении времени кислоту нужно нейтрализовать раствором соды и смыть.

материалы по теме

Завод «Пигмент» увеличивает объемы выпуска акриловых эмульсий и сульфаминовой кислоты

На протяжении трех кварталов нынешнего года на модернизацию техпроцессов и оснащения ПАО «Пигмент» (Тамбов) потратил более 366 млн рублей. Проекты по наращиванию мощности реализуются в производствах акриловых эмульсий и сульфаминовой кислоты. В цехах по производству пигментов, отбеливателей и полуфабрикатных лаков проводятся работы по улучшению качественных характеристик материалов, применяются новые технологии.

В Кургане начнут выпускать емкости для транспортировки соляной кислоты

В ходе реализации планов по импортозамещению на производственных площадках завода «Курганхиммаш» впервые в нашем государстве выпущена партия офшорных танк-контейнеров. Тара изготавливается из нержавеющей стали толщиной 6 мм, внутренняя поверхность которых покрыта особым материалом для защиты от действия агрессивных сред. Данные емкости позволяют хранить и транспортировать соляную кислоту под давлением не выше 0,4 МПа при температурах окружающей среды от –40 до +500 °С.

Применение лакокрасочных материалов

Применение ЛКМ обусловлено различными требованиями. Но наиболее распространенные – это для декоративной отделки и для защиты различных материалов от неблагоприятных воздействий для сохранения их долговечности.

Роберт Бойль жил в 17-ом столетии. Тогда же открыта ортофосфорная кислота. Связанны ли эти факты? Да. Новое соединение обнаружил именно Бойль.

Ирландский химик изучал фосфор , сжигая его и растворяя оставшийся от горения порошок в воде. Так и вышла новая кислота .

Ее часто называют просто фосфорной. Однако, это обобщающее имя нескольких соединений. Так, HPO3 – метафосфорная кислота .

Есть еще пирофосфорная с формулой H4P2O7. Какова же химическая запись ортофосфорной кислоты , разберемся в первой главе статьи . Ее, как понимаете, посвящаем именно ортофосфорному соединению.

Свойства ортофосфорной кислоты

Формула ортофосфорной кислоты: — H3PO4. Приставка «орто» указывает на то, что кислота кислородная и, что в ней содержится наибольшее число гидроксильных групп.

Меньше всего их в мета-соединениях. Среднее число – в пара — кислотах . У фосфорной есть и мета-, и пара-изомер.

Заметим, что все три приставки используют, так же, в названиях органических кислот , к коим ортофосфорная не относится.

В органической химии, мета – характеристика для заместителей структурного кольца , стоящих через один атом.

В пара-соединениях заместители максимально удалены, а в орто – соседи. Но, это информация, так сказать, для ознакомления. Вернемся к обсуждению героини статьи.

Внешне ортофосфорная кислота – кристаллы ромбической формы. Они бесцветны и плавятся при 42-ух градусах Цельсия.

Однако, из-за хорошей растворимости вещества в воде, химики чаще имеют дело с полугидратом кислоты . Его формула: — H3PO4*0,5 H2O.

Если кристаллизовать полугидрат, получатся гексагональные призмы. Увидеть их можно, взяв раствор ортофосфорной кислоты и охладив его.

Выпадет осадок. Это и есть полугидрат. Его температура плавления на 13 градусов меньше, чем у чистой кислоты .

С водой кислота смешивается в любых соотношениях. Причина кроется в системе связей с жидкостью.

Молекулы героини статьи охотно стыкуются с ней, отсоединяясь, при этом, друг от друга.

То есть, в воде соединение распадается на массу отдельных фрагментов, создавших водородные связи со структурными элементами жидкости.

Если же рассматривать строение чистой ортофосфорной кислоты, то она представляет макромолекулу. Отдельные молекулы в ней связаны между собой.

Водородные связи прочны и надежны. Это сказывается на физических свойствах.

Монолит плохо проводит электричество, почти не способен к диффузии, то есть, проникновению в другие вещества.

Если чистая ортофосфорная кислота плавится, то жидкость получается вязкой и маслянистой, — молекулы соединения не хотят отпускать друг друга.

В растворе героиня статьи может быть электролитом средней силы. Дойти до высшей отметки не дает внутреннее строение молекул ортофосфорного соединения.

Длины связей между атомами в нем нетипичны. Согласно формуле, между фосфором и кислородом образуется двойная стыковка.

Но, высчитывая длину связи, получаем 1,74, то есть, число, не кратное двум. Длина одинарной связи между кислородом и водородом, напротив, больше положенного, — 1,3 вместо 1-го.

Получается, электронная плотность связи P=O частично распределяется по другим связям.

Отсутствие резкого различия в длинах связей приводит к нестандартному строению молекул. Их форма приближена к тетраэдрам, то есть, пирамидальна.

Вследствие такого строения реакция ортофосфорной кислоты с большинством веществ невозможна, протекает медленно.

В химическом плане героиня статьи пассивна, не чета серной и соляной кислотам , с резким различием в длинах внутримолекулярных связей.

Из возможных химических реакций, определяющей для ортофосфорного соединения является взаимодействие с нитратом серебра .

Выпадает желтый осадок. У других фосфорных кислот он белый , так что, мета- и пара-соединения легко отодвинем в сторону и приступим к изучению процесса производства ортофосфорной кислоты .

Добыча ортофосфорной кислоты

Героиню статьи получают из фосфатов. Это эфиры и соли фосфорных кислот . Иногда используют ортофосфат калия с формулой K3PO4.

Но, чаще, берут конденсированные фосфаты. В них больше одного атома фосфора.

Фосфаты, в свою очередь, добывают из фосфоритов. Это природное сырье, а точнее, группа минералов.

Используют наиболее распространенные. Их два. Один – апатит , а второй фосфорит, в честь которого и названа группа камней .

Пример получения героини статьи разберем на соединении фосфата кальция и сульфата водорода. Запись реакции такова: — Ca3(PO4)2 + 3H2SO4 à 3CaSO4 + 2H3PO4.

Кроме фосфатов, в ход идет и пентохлорид фосфора. Его, так же, называют хлорангидридом фосфорной кислоты .

Для получения последней, достаточно гидролиза, то есть, взаимодействия с водой. Реакция такова: — PCL5 + 4H2O à H3PO4 + 5HCl.

Взаимодействовать с водой заставляют, так же, оксид фосфора. Его получают, сжигая 15-ый элемент в присутствии кислорода.

Взаимодействие оксида с водой дает две молекулы орто- кислоты , а значит, эта реакция наиболее выгодна, не имеет побочных продуктов. Убедимся, глядя на химическую запись процесса: — P2O5 + 3H2O à 2H3PO4.

Отметим, что с водой оксид фосфора реагирует бурно. Дабы слегка «усмирить» выброс тепла, бурление, исходное сырье обрабатывают концентрированным раствором уже полученной кислоты . Концентрат необходимо нагреть до 200-от градусов Цельсия.

Читайте также:  Направляющая для заточки свёрл

Применение ортофосфорной кислоты

Удаление ортофосфорной кислоты из жизни человека может вызвать коллапс. Соединение используется, как минимум, в семи сферах промышленности.

В пищевой отрасли кислоту называют Е338. Обработка ортофосфорной кислотой продуктов фиксирует их цвет, не позволяет изменить его. Во многом, это вызвано тем, что добавка приостанавливает процессы окисления.

Е338 относится к антиоксидантам, в отличие от многих ешек, полезна, как и сам фосфор. В организме он входит в фосфотазы.

Это ферменты, без коих клетки не смогут нормально функционировать. Нормальный вкус без Е338 тоже получается не всегда.

Добавка придает блюдам приятные кислинку, или остроту. Конкретный вкус зависит от количества кислоты в продукте и ее концентрации.

Теперь, вспоминаем острые и кисловатые блюда. На первом месте, пожалуй, газировка. По интернету ходят страшилки о гвозде, который может разъесть «Кока-Кола», если тот полежит в ней неделю.

Страшилка не из разряда фантастики. Однако, желудочный сок способен сделать тоже самое, причем, быстрее.

Кислотность той же «Кока-колы» — 2,8, а норма для экстракта в желудке – 1,3. Чем меньше цифра , тем более разъедающь сок .

Ортофосфорная кислота с металлами реагирует, как и большинство кислот.

Именно поэтому, за длительный срок, соединение может растворить гвоздь и, именно поэтому, используется в очищающих смесях.

Имеются в виду средства для снятия ржавчины, полировки металлических поверхностей.

Ортофосфорная кислота от ржавчины чаще всего используется в быту, при реставрации предметов.

При этом, реагент используют и на крупном производстве. Металлурги делают на основе ортофосфорного соединения флюсы .

Они облегчают отделение от руды пустой породы и снижают температуру плавления. Соответственно, флюсы нужны при пайке.

Находится ортофосфорная кислота и в аптеке. Вещество входит в состав средств от мочекаменной болезни.

К тому же, героиню статьи используют стоматологи. Им реактив нужен для протравки эмали перед пломбированием, а так же, обработки внутренней части коронок.

Кислота частично растворяет металлическую основу протезов. В ней появляются поры, в которые попадает скрепляющий цемент. В итоге, соединение коронки с зубом получается максимально прочным.

Ортофосфорная кислота входит в состав фреонов, а они, как известно, — основа морозильных установок.

Основой героиня статьи является и для многих косметических средств. В них кислота стабилизирует химические связи между составными элементами.

Аналогичную функцию соединение выполняет в моющих средствах из разряда бытовой химии.

Добавим к списку ортофосфорную кислоту в гидрожидкостях для авиационной технике, в удобрениях, даже в молекулярных исследованиях биологов.

Последние, используют реагент для осветления срезов тканей, рассматриваемых под микроскопом.

Не стоит забывать и о том, что фосфор светится в темноте, а значит, и ортофосфорная кислота способна раскрасить серые будни. Сколько за это придется заплатить? Ответ в финальной главе.

Цена ортофосфорной кислоты

Купить ортофосфорную кислоту, как правило, предлагают в растворах. Основная концентрация – 85%. Разливают в канистры по 25,30, 32, 40 литров.

Ценник выставляется за кило. В среднем, это 80-110 рублей. Максимальный ценник достигает 150 рублей за литр. Минимальный запрос продавцов равен 43-ем рублям.

Стоит учесть, что стоимость зависит от ГОСТа. Ортофосфорная кислота 6552-80 чистая, подходит для пищевой промышленности, реактивов, косметической отрасли.

Но, есть и техническая жидкость. Она желтовата, что указывает на наличие загрязнений. ГОСТ технической кислоты – 10678-76.

В рознице ортофосфорную кислоту продают в маленьких тюбиках. Так, 50 миллилитров для пайки стоят около 100 рублей.

Остальная продукция содержит много дополнительных элементов. В сельскохозяйственных удобрениях, к примеру, кроме ортофосфорной кислоты присутствует комплекс других минералов.

Поэтому, ценник зависит от их количества, характера. В «игру» вступают наценки раскрученных производителей.

Поэтому, об объективной стоимости ортофосфорного соединения судят лишь по объявлениям об оптовых закупках концентрированного раствора реагента.

Ортофосфорная кислота
Общие
Систематическое
наименование
Ортофосфорная кислота
Хим. формула H3PO4
Физические свойства
Состояние твёрдое
Молярная масса 98,0 г/моль
Плотность 1,685 (жидк)
Динамическая вязкость 2,4-9,4 сПуаз
Термические свойства
Т. плав. +42,35 °C
Т. кип. +158 °C
Давление пара 0,03 ± 0,01 мм рт.ст. [1]
Химические свойства
pKa 2,12; 7,21; 12,67
Растворимость в воде 548 г/100 мл
Классификация
Рег. номер CAS 7664-38-2
PubChem 1004
Рег. номер EINECS 231-633-2
SMILES
Кодекс Алиментариус E338
RTECS TB6300000
ChEBI 26078
Номер ООН 1805
ChemSpider 979
Безопасность
H-фразы H290 , H314
P-фразы P280 , P303+P361+P353 , P304+P340+P310 , P305+P351+P338
Сигнальное слово Опасно
Пиктограммы СГС
NFPA 704

Приводятся данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иного.

Ортофо́сфорная кислота́ (фо́сфорная кислота́) — неорганическая кислота средней силы с химической формулой H3PO4, которая при стандартных условиях представляет собой бесцветные гигроскопичные кристаллы. Обычно ортофосфорной (или просто фосфорной) кислотой называют 85 %-ый водный раствор (бесцветная сиропообразная жидкость без запаха). Растворима в этаноле и других растворителях.

Содержание

Физические свойства [ править | править код ]

В чистом виде фосфорная кислота представляет собой бесцветное кристаллическое вещество с температурой плавления 42,35 °С. Кристаллы имеют моноклинную сингонию. Твёрдая фосфорная кислота гигроскопична и расплывается на воздухе; она смешивается с водой во всех соотношениях, но коммерчески обычно доступна в трёх концентрациях:

Из 85 %-ой фосфорной кислоты можно получить безводную при испарении воды в вакууме при 80 °С. Из концентрированных растворов она осаждается в виде гемигидрата H3PO4·0,5H2O [2] [3] .

В твёрдом состоянии и концентрированных растворах между молекулами фосфорной кислоты существуют водородные связи. При снижении концентрации до 40-50 % более устойчивой является водородная связь между фосфат-анионами и молекулами воды. Также в растворах фосфорная кислота обменивается атомами кислорода с водой [3] .

Химические свойства [ править | править код ]

H 3 O ( a q ) + + H 2 P O 4 ( a q ) − <3>O_<(aq)>^<+>+H_<2>PO_<4(aq)>^<->>>> H 2 P O 4 ( a q ) − + H 2 O ( l ) ⇌ PO_<4(aq)>^<->+H_<2>O_<(l)>
ightleftharpoons >>> H 3 O ( a q ) + + H P O 4 ( a q ) 2 − O_<(aq)>^<+>+HPO_<4(aq)>^<2->>>> H P O 4 ( a q ) 2 − + H 2 O ( l ) ⇌ ^<2->+H_<2>O_<(l)>
ightleftharpoons >>> H 3 O ( a q ) + + P O 4 ( a q ) 3 − O_<(aq)>^<+>+PO_<4(aq)>^<3->>>>

Как следствие, фосфорная кислота может образовывать как средние (фосфаты), так и кислые соли (гидрофосфаты и дигидрофосфаты). Однако при нормальных условиях она малоактивна и вступает в реакции только с карбонатами, гидроксидами и некоторыми металлами. Выше 80 °С фосфорная кислота реагирует также с неактивными оксидами, кремнезёмом и силикатами. Также фосфаты образуются в процессе фосфатирования, при помощи которого чёрные и цветные металлы покрывают защитной плёнкой для улучшения их характеристик [4] .

Нагревание фосфорной кислоты приводит к отщеплению воды с образованием пирофосфорной кислоты и метафосфорной кислоты [4] :

2 H 3 P O 4 → H 2 O + H 4 P 2 O 7 ; PO_<4>
ightarrow H_<2>O+H_<4>P_<2>O_<7>>>;> H 4 P 2 O 7 → H 2 O + 2 H P O 3 . <4>P_<2>O_<7>
ightarrow H_<2>O+2HPO_<3>>>.>

Отличительной реакцией ортофосфорной кислоты от других фосфорных кислот является реакция с нитратом серебра: при этом образуется жёлтый осадок, тогда как другие фосфорные кислоты дают белый осадок [4] :

H 3 P O 4 + 3 A g N O 3 → A g 3 P O 4 + 3 H N O 3 . PO_<4>+3AgNO_<3>
ightarrow Ag_<3>PO_<4>+3HNO_<3>>>.>

Качественной реакцией на ион H2РО4 − является образование ярко-жёлтого осадка молибденофосфата аммония:

H 3 P O 4 + 12 [ N H 4 ] 2 M o O 4 + 21 H N O 3 → [ N H 4 ] 3 P M o 12 O 40 ⋅ 6 H 2 O ↓ + 21 N H 4 N O 3 + 6 H 2 O PO_<4>+12[NH_<4>]_<2>MoO_<4>+21HNO_<3>
ightarrow [NH_<4>]_<3>PMo_<12>O_<40>cdot 6H_<2>Odownarrow +21NH_<4>NO_<3>+6H_<2>O>>>

Получение [ править | править код ]

Впервые фосфорную кислоту из оксида фосфора(V) получил Роберт Бойль в 1694 году [2] . Лабораторный метод получения заключается в окислении фосфора азотной кислотой [4] :

3 P + 5 H N O 3 + 2 H 2 O → 3 H 3 P O 4 + 5 N O . +2H_<2>O
ightarrow 3H_<3>PO_<4>+5NO>>.>

Термический способ [ править | править код ]

В промышленности используют два основных способа получения фосфорной кислоты: термический и экстракционный. Термический способ заключается в сжигании фосфора до оксида фосфора(V) и реакции последнего с водой [5] :

P 4 + 5 O 2 → P 4 O 10 ; +5O_<2>
ightarrow P_<4>O_<10>>>;> P 4 O 10 + 6 H 2 O → 4 H 3 P O 4 . <4>O_<10>+6H_<2>O
ightarrow 4H_<3>PO_<4>>>.>

Технически этот процесс реализуется по-разному. В так называемом IG-процессе (от названия фирмы IG) обе реакции проводятся в одной реакционной колонне. Сверху в неё сжатым воздухом или паром под давлением 1,5 МПа через сопло подаётся фосфор, который сгорает при температуре >2000 °C. Полученный оксид фосфора(V) поглощается фосфорной кислотой, которая стекает сверху по стенкам колонны, целиком покрывая их. При этом она одновременно выполняет несколько функций: растворяет оксид фосфора(V), отводит теплоту из реакции сгорания и защищает стенки колонны от пламени. Полученная фосфорная кислота собирается под колонной, пропускается через теплообменник и подаётся в верхнюю часть колонны, откуда снова стекает по стенкам. Материалом для установки по получению фосфорной кислоты служит нержавеющая сталь с низким содержанием углерода. До 100 °C она устойчива к концентрированной фосфорной кислоте [6] .

Получаемая этим способом фосфорная кислота практически не содержит примесей соединений фосфора в низших степенях окисления (содержание фосфористой кислоты H3PO3 составляет всего 0,1 %). Однако её необходимо очистить от примесного мышьяка, который в низких концентрациях содержится даже в очень чистом фосфоре. Эта очистка осуществляется воздействием сероводорода (для его получения в фосфорную кислоту вводят сульфид натрия) и осаждением сульфида мышьяка с последующим фильтрованием [6] .

На этих реакциях основан также TVA-процесс (от Tennessee Valley Authority [en] ), однако сжигание фосфора и поглощение оксида фосфора(V) проводится отдельно. Фосфор и воздух подаются в стальную камеру сгорания с внешним охлаждением, после чего продукты сгорания через верхнюю часть камеры подпадают в камеру поглощения, где и образуется фосфорная кислота [7] . В Хёхст-процессе (от названия фирмы Hoechst) сгорание и поглощение проводятся отдельно, однако он отличается тем, что теплота сгорания фосфора там используется для генерирования пара [5] .

Экстракционный способ [ править | править код ]

Экстракционный способ производства фосфорной кислоты заключается в обработке природных фосфатов неорганическими кислотами (в странах СНГ преимущественно хибинского апатитового концентрата и фосфоритов Каратау [8] ). Фосфаты обрабатывали серной кислотой ещё в середине 1880-х гг., однако развитие этой области началось после Второй мировой войны благодаря повышенному спросу на минеральные удобрения [9] .

Разложение сырья происходит по следующей схеме (x от 0,1 до 2,2):

C a 5 ( P O 4 ) 3 F + 5 H 2 S O 4 + 5 x H 2 O → 5 C a S O 4 ⋅ x H 2 O + 3 H 3 P O 4 + H F . (PO_<4>)_<3>F+5H_<2>SO_<4>+5xH_<2>O
ightarrow 5CaSO_<4>cdot xH_<2>O+3H_<3>PO_<4>+HF>>.>

Побочным продуктом этой реакции является сульфат кальция, который в зависимости от температуры и концентрации фосфорной кислоты может выпадать в виде дигидрата (CaSO4·2H2O) или гемигидрата (CaSO4·0,5H2O). По этому признаку экстракционные процессы получения фосфорной кислоты делят на дигидратные, гемигидратные и комбинированные (дигидратно-гемигидратный и гемигидратно-дигидратный). Существует также ангидритный метод (с осаждением безводного сульфата кальция), который, однако, в промышленности не используется, так как он связан с серьёзными коррозионными проблемами [9] .

Дигидратный процесс является классическим методом получения фосфорной кислоты. Его преимущества заключаются в относительно низкой температуре, благодаря чему удаётся избежать коррозии. Кроме того, можно использовать различное фосфатное сырьё и перерабатывать его в больших количествах. Для начала сырьё измельчают до размера частиц меньше 150 мкм. Фосфат и серная кислота подаются в реактор по отдельности, чтобы образование слоя сульфата кальция на частицах не затрудняло дальнейшего разложения. Температура процесса составляет 70-80 °С, а концентрация фосфорной кислоты в системе равна 28-31 % в пересчёте на P2O5. В этих условиях сульфат кальция образуется в виде дигидрата. Недостатком метода является то, что исходное сырьё необходимо перемалывать, а полученную фосфорную кислоту дополнительно концентрировать до 40-55 % и даже до 70 % P2O5 [10] .

Гемигидратный процесс был разработан для того, чтобы избежать необходимости концентрирования полученной фосфорной кислоты. Он проводится при более высокой температуре (80-100 °С) — в условиях, когда более устойчивой формой является гемигидрат сульфата кальция. Фосфорная кислота при этом получается в концентрации 40-48 % [10] . Гемигидратно-дигидратный процесс разработан в Японии в связи с тем, что он позволяет получать практически чистый гипс, залежи которого в этой стране отсутствуют. Обработка сырья ведётся при высокой температуре, и образуется гемигидрат сульфата кальция, однако затем его перекристаллизовывают в дигидрат [10] .

Концентрирование и очистка [ править | править код ]

Для концентрирования фосфорной кислоты, полученной дигидратным процессом, используют вакуумное испарение, хотя на старых заводах до сих пор применяют погружное горение. Иногда используют последовательно несколько испарителей, так что пары с одного испарителя используются для нагрева раствора в следующем испарителе. Кроме того, при испарении воды из фосфорной кислоты также удаляется фтор в виде смеси SiF4 и HF. Так, при повышении концентрации фосфорной кислоты с 30 до 50 % P2O5 из неё удаляется 50-60 % фтора. Поскольку выбросы фтора регулируются законами, эти вещества направляют на производство кремнефтористоводородной кислоты H2SiF6 [11] .

Разнообразные неорганические примеси удаляют осаждением и экстракцией. Осаждать необходимо примеси мышьяка (в виде сульфида мышьяка), кадмия (в виде комплекса с эфирами дитиофосфорной кислоты), а также примеси катионных металлов (обработкой гидроксидом натрия). Экстракция основана на переводе фосфорной кислоты в органическую фазу и промывках водой, разбавленной фосфорной кислотой и растворами фосфатов. При этом удаляются как катионные, так и анионные примеси. Сама фосфорная кислота отделяется от растворителя перегонкой. В качестве растворителей используют бутанол-1, амиловый спирт, метилизобутилкетон, трибутилфосфат, диизопропиловый эфир и др. [12]

Экономические и экологические аспекты [ править | править код ]

Мировая потребность в фосфорной кислоте по состоянию на 1989 г. оценивается в 40,6 млн тонн в год в пересчёте на P2O5. Экстракционный способ производства является преобладающим (95 % от общего количества), поскольку он потребляет меньше энергии. Остальные 5 % производятся термическим способом. Основным производителем (и потребителем) экстракционной фосфорной кислоты являются США: их доля от общего производства фосфорной кислоты составляет 90 % [13] .

В 1980-е гг. произошло сокращение производства фосфорной кислоты из-за отказа от фосфорсодержащих детергентов и минеральных удобрений. Это было связано с загрязнением фосфатными удобрениями грунтовых вод и эвтрофикацией водоёмов [13] .

Экстракционное производство фосфорной кислоты связано с образованием отвалов сульфата кальция: на 1 т P2O5 производится 4,5-5,5 т загрязнённого сульфата кальция, который необходимо утилизировать. По состоянию на 2008 год существует три варианта:

  • затопление в водоёмах (10 %);
  • сваливание на суше (около 88 %);
  • использование в качестве сырья [14] .

При затоплении в водоёмах сульфат кальция быстро растворяется: его растворимость в морской воде составляет 3,5 г/л, а природное содержание — 1,6 г/л. Примеси оксида кремния и оксида алюминия остаются нерастворёнными. Загрязнение воды тяжёлыми металлами мало по сравнению с существующими концентрациями, однако загрязнение кадмием значительно [14] .

Применение [ править | править код ]

Используется при пайке в качестве флюса (по окисленной меди, по чёрному металлу, по нержавеющей стали), для исследований в области молекулярной биологии. Применяется также для очищения от ржавчины металлических поверхностей. Образует на обработанной поверхности защитную плёнку, предотвращая дальнейшую коррозию. Также применяется в составе фреонов, в промышленных морозильных установках как связующее вещество.

Авиационная промышленность [ править | править код ]

В авиационной промышленности ортофосфорная кислота используется в составе гидрожидкости НГЖ-5У и её иностранных аналогов.

Пищевая промышленность [ править | править код ]

Ортофосфорная кислота зарегистрирована в качестве пищевой добавки E338. Применяется как регулятор кислотности в газированных напитках, например в Кока-Коле. По вкусу подслащённые слабые водные растворы ортофосфорной кислоты напоминают крыжовник.

Сельское хозяйство [ править | править код ]

В звероводстве (в частности, при выращивании норок) используют выпойку раствора ортофосфорной кислоты для профилактики повышенного рН желудка и мочекаменной болезни.

Также ее применяют в гидропонных системах для регулировки уровня pH питательного раствора.

Стоматология [ править | править код ]

Ортофосфорная кислота применяется для протравливания (снятия смазанного слоя) эмали и дентина перед пломбированием зубов. При применении адгезивных материалов 2-го и 3-го поколений требуется протравливание эмали зуба кислотой с последующим промыванием и просушиванием. Кроме дополнительных временных затрат на проведение, данные этапы несут в себе опасность возникновения различных ошибок и осложнений.

При нанесении ортофосфорной кислоты сложно проконтролировать степень и глубину деминерализации дентина и эмали. Это приводит к тому, что нанесённый адгезив не полностью (не по всей глубине) заполняет открытые дентинные канальцы, а это в свою очередь не обеспечивает образование полноценного гибридного слоя.

Кроме того, не всегда удаётся полностью удалить ортофосфорную кислоту после её нанесения на дентин. Это зависит от того, каким способом сгущена фосфорная кислота. Остатки ортофосфорной кислоты ухудшают прочность связывания, а также приводят к образованию так называемой «кислотной мины».

С появлением адгезивных материалов 4-го и 5-го поколений стали использовать технику тотального протравливания (дентин — эмаль). В адгезивных системах 6-го и 7-го поколений отдельный этап протравливания кислотой отсутствует, так как адгезивы являются самопротравливающимися. Однако некоторые производители всё же рекомендуют для усиления адгезии кратковременно протравливать эмаль даже при использовании самопротравливающих адгезивов.

Безопасность [ править | править код ]

Фосфорная кислота не оказывает специфического токсического действия. Системная токсичность низкая. Её растворы раздражают глаза, дыхательные пути и слизистые оболочки. При концентрации > 10 % она оказывает раздражающее действие, а выше 25 % — также коррозионное. При глотании большого количества возникает тошнота, рвота, диарея, кровавая рвота и гиповолемический шок. Концентрированные растворы вызывают ожоги слизистой оболочки рта, пищевода и желудка. При попадании рекомендуется промыть кожу или промыть глаза тёплой водой или физиологическим раствором. При глотании фосфорной кислоты в качестве первой помощи необходимо поддерживать дыхание и внутривенно восполнять жидкость [15] .

У добровольцев, получавших фосфорную кислоту перорально в количестве 2-4 г/кг в день в течение 10 дней или 3,9 г/кг в день в течение 14 дней, не обнаружено негативных для метаболизма последствий. Допускается использовать 0,5–1 г/л фосфорной кислоты в напитках [15] .

“>